Onderzoeker onderzoekt contactbevriezing van water op nanoschaal

Op nanoschaal bevriest water op verschillende manieren, en ze worden niet allemaal volledig begrepen. Naast andere voordelen zou een betere grip op deze processen kunnen leiden tot grote verbeteringen in de weersvoorspelling.

Daartoe heeft het laboratorium van Amir Haji-Akbari, assistent-professor chemische en milieutechniek, zich gericht op een bijzonder snel proces dat bekend staat als contactvriezen, waarbij een onderkoelde (onder het vriespunt, maar niet-bevroren) vloeistofdruppel in de atmosfeer botst met een kiemvormend deeltje – dat wil zeggen, een deeltje dat het bevriezen van een vloeistof die ermee in contact komt, vergemakkelijkt. Het invriezen gebeurt veel sneller dan het proces van invriezen door onderdompeling – een meer algemene gebeurtenis waarbij een kiemvormend deeltje zich al in een vloeistofdruppel bevindt wanneer de temperatuur daalt.

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het Tijdschrift van de American Chemical Society​

Precies waarom contactvriezing zo snel gebeurt, is al lang een vraag onder wetenschappers. Op een gegeven moment geloofden wetenschappers dat bevriezing werd veroorzaakt door voorbijgaande effecten veroorzaakt door de botsing. Een latere theorie stelde dat het bevriezen werd versneld door een zogenaamde contactlijn. Dat is wanneer een deeltje wordt blootgesteld aan drie fasen van materie: damp, vloeistof en een vast deeltje. Experimenten toonden echter aan dat geen van beide het antwoord was.

Meer recente studies suggereerden dat bevriezing eenvoudig gebeurt wanneer de oppervlakken van twee deeltjes heel dicht bij elkaar zijn. Haji-Akbari testte dit met een techniek die hij onlangs ontwikkelde, genaamd jumpy forward-flux sampling, die nauwkeurig de voortgang van een systeem verklaart – zoals de vorming van ijs of sneeuw – ook al kunnen de patronen aanzienlijk veranderen in een korte periode van tijd. Daarmee toonde zijn team van onderzoekers aan dat de nabijheid van oppervlakken voldoende is om bevriezing te veroorzaken, maar alleen onder bepaalde omstandigheden. Concreet gebeurt het alleen als er een vloeistof is die vatbaar is voor bevriezing van het oppervlak.

“Wat we hebben laten zien is dat om deze snellere nucleatie te laten plaatsvinden, het bevriezen naast het damp-vloeistofgrensvlak ook sneller moet zijn, zelfs als er geen deeltje in deze druppel zit,” zei hij. Ze toonden inderdaad aan dat deze kiemvorming zelfs nog sneller verloopt in ultradunne films van de oppervlakte-bevriezende vloeistof.

Haji-Akbari zei dat de theoretische benaderingen die ze voor deze studie gebruikten, kunnen worden toegepast om andere vriesprocessen te begrijpen, wat leidt tot informatie die zou kunnen resulteren in betere weersvoorspellingen en waardevol inzicht zou kunnen bieden voor materiaalwetenschappers.

“Verschillende componenten van deze bevriezingsgebeurtenissen worden niet goed begrepen, waaronder het bevriezen van contact,” zei hij. “Dus de volgende stap in ons werk is het kunnen bouwen van betere modellen, die kunnen resulteren in nauwkeurigere of betrouwbaardere voorspellingen.”